遂寧一中生物教研組葉俊654936051@《光合作用》第頁第三節光合作用一、光合作用㈠概述1.生物：綠色植物（主）（包括藍藻（原核生物）和其他植物（真核生物））和光合細菌（原核生物）。2.概念：生物通過光合色素（如植物的葉綠色等）吸收光能，將CO2等無機物合成有機物，同時儲存能量的過程（除藍藻以外的綠色植物的光合作用是通過葉綠體吸收光能，將CO2和H2O合成有機物，釋放O2，同時儲存能量的過程，光合細菌不釋放O2，光合細菌和藍藻無葉綠體）。3.光合作用發現實驗⑴普里斯特利實驗⑵薩克斯實驗⑶恩格爾曼實驗⑷魯賓和卡門實驗提出問題植物是否能從空氣中得到什么？光合作用的產物是什么？是否有淀粉產生？光合作用是否產生O2？場所是葉綠體嗎？光合作用產生的O2是來自H2O還是CO2?作出假說植物能從空氣中得到物質淀粉是光合作用的產物光合作用能產生O2，葉綠體是光合作用的場所光合作用產生的O2來自H2O或者是來自CO2設計實驗得到結果和結論實驗步驟①將點燃的蠟燭與綠色植物一起放在一個密閉的玻璃罩內；②將小鼠與綠色植物一起放在玻璃罩內。①把一種綠色植物在暗處幾小時（饑餓處理）。②將一片正常的葉一半曝光，一半遮光。③將該植物放在適應的的條件下過一段時間。④用碘蒸氣處理葉片，觀察葉片顏色的變化。實驗一：①把載有水綿和好氧菌的臨時裝片放在黑暗處一段時間；②用極細的光束照射水綿；③用顯微鏡觀察好氧菌的分布。實驗二：④將上述臨時裝片完全曝光一段時間；⑤然后用顯微鏡觀察好氧菌的分布情況。①用18O分別標記H2O和CO2；②然后進行兩組光合作用試驗：第一組向綠色植物提供H218O和CO2;第二組向同種綠色植物提供H2O和C18O2；③在相同的適宜條件下一段時間；⑤對兩組實驗放出的O2分析觀察。實驗結果①蠟燭不熄滅和熄滅；②小鼠不死亡和死亡暴光部深藍色；遮光部位顏色沒有變化實驗一：好氧菌集中分布在照光部位的葉綠體周圍。實驗二：好氧菌集中分布在葉綠體上。第一組釋放的氧氣有18O第二組釋放的氧氣沒有18O。實驗結論植物可以更新空氣①淀粉是光合作用的產物；②光是光合作用的必需條件①氧氣是光合作用的產物;②葉綠體是光合作用的場所光合作用釋放的氧氣來自于水。實驗變量（自變量）是否放置綠色植物（葉片一半)遮光和曝光實驗一：葉綠體是否照光實驗二：葉綠體的有無部位有無H218O和C18O2對照類型相互對照自身對照自身對照相互對照檢測指標蠟燭熄滅和小鼠死亡的時間用碘蒸氣處理葉片，觀察葉片顏色的變化用顯微鏡觀察好氧菌的分布情況檢測釋放的O2是否有放射性問題討論玻璃罩的作用：密閉，放置空氣對實驗的干擾黑暗處理的目的：消耗掉葉片中的營養物質，防止對實驗的干擾。碘蒸氣的作用：脫色；鑒定淀粉。將臨時裝片放置無空氣的黑暗環境中的目的：消耗掉氧氣，并放置空氣對實驗的干擾4.光合作用的結構、物質和作用⒌C3和C4植物的比較：（選修本）CC3植物（大豆、水稻）C4植物（玉米、甘蔗等）⑴形態結構上比較“花環型”結構（主）葉肉細胞（部分）排列①無花環型結構疏松①有花環型結構緊密葉綠體及基粒有有維管束鞘細胞大小、數目小而少大而多無基粒的葉綠體（主）②無②有⑵生理功能上比較①CO2的固定途徑C3途徑C4途徑和C3途徑場所葉肉細胞C4途徑：葉肉細胞葉綠體基質C3途徑：維管束鞘細胞葉綠體基質是否消耗能量否是②CO2利用（主要）利用低濃度的CO2不能能。（因為PEP羧化酶與CO2的親和力很強）CO2的利用率低高③在低濃度CO2下的光合作用的效率低高④C的轉移途徑14CO2→14C3→14CH2O+14C514CO2→14C4→14CO2→14C3→14CH2O+14C5總之：判斷C4植物和C3植物的依據是⑴顯微鏡觀察，①C4植物有“花環型”結構；②C4植物維管束鞘細胞有葉綠體，葉脈顏色深；C3植物相反。⑵對CO2的利用：①C4植物能利用低濃度的CO2，C3植物不能利用低濃度的CO2；②當CO2濃度達到一定值時，C4植物的光合作用強度達到飽和，C3植物的光合作用強度還會隨CO2濃度的增加而繼續增加。（可用三個實驗鑒別）6.C4植物和C3植物葉肉圖：7.鑒別C4植物和C3植物的實驗⑴從生理學方面利用碳同化能力差異（即利用低濃度的CO2）鑒別。科學家發現生長在高溫、強光照和干旱的植物氣孔關閉，C4植物能利用葉片內細胞間隙中含量很低的CO2進行光合作用，C3植物則不能。取自熱帶不同生活環境下的甲、乙兩株長勢良好、狀態相似的草本植物，已知甲植物是C4植物，乙植物不知其光合作用固定CO2的類型。請利用一個密閉大玻璃鐘罩，完成初步鑒別乙植物是C3植物還是C4植物得實驗。①實驗原理：在高溫、強光下和干旱環境中的植物隨著光合作用的進行，造成密閉鐘罩內CO2濃度逐漸降低，C4植物能利用葉片內細胞間隙中含量很低的CO2進行光合作用，生長良好，C3植物則不能。②實驗步驟：將植物甲和植物乙一同栽種于密閉鐘罩內，給予高溫、強光照和干旱等條件。連續若干天觀察記錄它們的生長情況。③結果預測及結論若乙植物和甲植物生長狀態相似，則說明乙植物是C4植物；若乙植物逐漸枯萎為死亡，而甲植物依然健壯，則說明乙植物是C3植物。⑵從植物形態學方面鑒別（即C4植物葉肉具有“花環型”結構）對于以上的分析，用顯微鏡從形態學方面鑒別。①實驗方法：制作乙植物的葉片和葉脈橫切片的臨時裝片，用顯微鏡觀察。②結果及結論：若視野中看到沒有“花環型”結構或維管束鞘細胞中沒有葉綠體，則說明乙植物是C3植物；若視野中看到具有“花環型”結構或維管束鞘細胞中有葉綠體，則說明乙植物是C4植物。⑶同位素標記CO2轉移途徑方法鑒別C4植物和C3植物的實驗設計方案取自熱帶不同生活環境下的甲、乙兩株長勢良好、狀態相似的草本植物，已知甲植物是C4植物，乙植物不知其光合作用固定CO2的類型。請利用一個密閉大玻璃鐘罩，完成初步鑒別乙植物是C3植物還是C4植物得實驗。①實驗原理：C4植物葉片中只有維管束鞘細胞內出現淀粉粒，葉肉細胞中沒有淀粉粒；C3植物的情況正好相反；淀粉遇碘變藍。②實驗步驟：第一步：將甲、乙兩種植物同時在黑暗中放置24h（饑餓處理）。第二步：然后將甲、乙兩種植物同時放置在光照下幾小時，以充分積累淀粉，然后各摘取一片相同部位的葉片。第三步：取待測葉片用酒精隔水加熱，脫去葉綠體色素，用水漂洗，在葉片上滴加碘液，第四步：將上述實驗處理的葉片分別作成葉片橫切面臨時切片，并放在顯微鏡下觀察。③結果分析與結論：如甲乙植物維管束鞘細胞內有藍色的淀粉顆粒，葉肉細胞內沒有，則說明乙植物是C4植物；若甲植物維管束鞘細胞內有藍色的淀粉顆粒，葉肉細胞內沒有，而乙植物葉肉細胞內有藍色的淀粉顆粒，維管束鞘細胞沒有，則說明乙植物是C3植物。㈡光合作用過程及特點⒈光合作用過程⒉光反應和暗反應的比較過程項目光反應暗反應C4植物C3植物C4植物C3植物區別場所主要是葉肉細胞葉綠體的類囊體上（或基粒）葉肉細胞葉綠體基質維管束鞘細胞葉綠體基質時間光下，短促一般光下，較緩慢條件光、色素、酶一系列酶原料H2O、ADP、Pi、NADP+ATP、NADPH、C02、C5C4、C3、PEP產物O2、ATP、NADPH（[H]）、H2OCH2O等有機物、ADP+Pi、H2O、C5、C4、C3、PEP物質變化二氧化碳固定①C02+C3（PEP）→C4②C4→C3+C02③C3→C3（PEP）④ATP→ADP+Pi⑤C5+C02→2C3C5+C02→2C3C02還原2C3+APT+[H]→CH2O+H2O+ADP+Pi能量變化光能→電能→ATP和NADPH中活躍化學能ATP和NADPH中活躍的化學能→有機物中穩定的化學能聯系①光反應為暗反應提供ATP和NADPH促進暗反應；②暗反應反過來會影響光反應的進行。③同時進行。一般均在有光的條件下進行。⒊幾個物質的量變化⑴植物體內C、H、O的來源和去向⑵ATP、ADP、NADPH、C3、C5量的變化㈢提高作農物產量1.根據頂端優勢原理，對作物摘心去芽（促進生長發育）、整枝（減少有機物消耗）等。（促進生長發育）2.對豆科植物進行相應根瘤菌拌種或施圓褐固氮菌菌劑。（為作物提供N素，促進生長發育）3.雜交育種、單倍體、多倍體育種、植物體細胞雜交技術、基因工程育種和細胞工程育種培育高產新品種。4.提高作物光能利用率（一般是指單位土地面積上,農作物通過光合作用所產生的有機物中所含的能量,與這塊土地所接受的太陽能的比，理論計算值:一般可達6.0～8.0%，而實際生產中僅為0.5～1.0%，最大可達2%。光能利用率=有機物所含能量/土地所接受的太陽能）⑴延長光合作用時間：延長全年內單位土地面積上綠色植物進行光合作用的時間。如多種作物輪作。⑵增加光合作用面積：①合理密植（主）：單位面積土地上，據土壤肥沃程度等情況種植適當密度植物，②間作套種。⑶提高植物光合作用效率（是指綠色植物通過光合作用制造的有機物中所含有的能量與光合作用中吸收的光能的比值）①原理：光合作用是在植物有機體的內部和外部的綜合條件的適當配合下進行的。因此內外條件的改變也就一定會影響到光合作用的進程或光合作用強度的改變。說明：①根據人工調控影響光合作用的五個主要的外界因素（最主要的又是光照強度、CO2濃度和溫度)來提高全天有機物的積累量，促進植物生長，而增產。②判斷植物生長與否的標志：計算全天有機物的積累量的大小。若全天有機物積累量＞0，則植物正常生長。全天有機物積累量≤0，則植物不能正常生長。備注：光合作用和呼吸作用的關系及有關公式：說明：光合作用呼吸作用判斷凈（表）光合作用的方法⑴當光合作用=呼吸作用時只有①途徑①概念：凈（表）光合作用；②曲線中有負值的光合作用；③測定環境中CO2或O2的變化量；④測定植物或葉片的吸收或釋放量CO2或O2⑤干物質量或干重或增產量等⑵當光合作用＜呼吸作用時只有①途徑有①、②途徑⑶當光合作用＞呼吸作用時有①、②途徑只有①途徑⑷當光合作用不進行，只進行呼吸作用時只有②途徑公式真（總）（實際）光合量＝凈光合量＋呼吸量（光下）真光合量＝真光合速率×光照時間凈光合量＝凈光合速率×光照時間；呼吸量＝呼吸速率×呼吸時間真光合速率＝凈光合速率＋呼吸速率（光下）量的轉化C6H1206∽6CO2∽6O2∽12H20∽2870KJ（1161KJ+1709KJ熱能）表示方法（總）（實際）真光合量（表）凈光合量呼吸量用O2光合作用產生的O2量植物釋放的O2量呼吸作用利用的O2量用CO2光合作用利用的CO2量植物吸收的CO2量呼吸作用產生的CO2量用有機物光合作用產生的有機物量植物積累的有機物量呼吸作用消耗的有機物量②提高光合作用效率的具體措施及原理機理生產上應用光（→色素參與數目）→光反應（→ATP、NADPH）→暗反應→光合速率→光合作用強度適當提高光照強度①光飽和點（圖1的B點和圖2的C點、圖4的D點）：植物的光合作用強度在一定范圍內是隨著光照強度的提高而增強（同化CO2的速度也相應增加），但當光照強度達到一定值時，光合作用強度不再隨著光照強度的增加而增強，即光合作用達到最大值時的最小光強度。原因：色素的數目有限（或受色素的數目限制。②圖1的CD段和圖4的DE段：但光強度過強，光合作用強度反而下降（因為氣溫過高→（蒸騰作用過強→植物自身調節→）氣孔關閉→進入體內CO2濃度降低→暗反應減慢。③m點左右主要的限制因素是光照強度；達到飽和點以后，n點時主要的限制因素是溫度（內因是暗反應酶活性）或CO2濃度。當光照強度達到飽和點后，提高農作物產量的方法：①適當提高溫度；②適當提高CO2濃度①無光照（圖2的A點、圖3的a1、a2和圖4的AB段和HI段）：光照強度為0時），光合作用強度為0，只有呼吸作用，凈光合作用＜0。在AC段的范圍內，隨光照強度的增強，凈光合作用強度逐漸增強（圖2的AB段，圖4的BC段，光合作用低于呼吸作用。②光補償點（圖2的B點、圖3的b1、b2點、圖4的C、G點）：植物在進行光合作用的同時也在進行呼吸作用,當植物在某一光照強度條件下，進行光合作用所吸收的CO2與該溫度條件下植物進行呼吸作用所釋放的CO2量達到平衡時，這一光照強度就稱為光補償點，即此光強時，光合作用吸收的CO2量等于呼吸作用釋放的CO2量，凈光合作用=0）。這時光合作用強度主要是受光反應產物的限制（光照強度很弱）。不同的植物的光補償點是不一樣的，主要與該植物的呼吸作用強度有關，與溫度也有關系。③總光合作用是指植物在光照下制造的有機物的總量(或吸收的CO2總量或產生的O2總量)。凈光合作用是指在光照下制造的有機物總量(或吸收的CO2總量)中扣除掉在這一段時間中植物進行呼吸作用所消耗的有機物(或釋放的CO2)，即凈增的有機物的量。延長光合作用時間：通過輪作，延長全年內單位土地面積上綠色植物進行光合作用的時間可提高糧食產量。①判斷依據：陰生植物能在弱光條件下進行光合作用（且強于陽生植物的光合作用）而正常生長發育，而陽生植物則不能（原因是陰生植物此時光能利用率大于陽生植物的），且當光照強度達到某一值時，陰生植物光合作用達到飽和，而陽生植物的光合作用則繼續增強。②特點：一般陽生植物的光補償點比陰生植物高；光飽和點也是陽生植物高于陰生植物。原因是陽生植物的呼吸作用比陰生植物強。陽生植物（如水稻、小麥）種植在陽光充足的地方，陰植物（如胡椒）種植在蔭蔽的地方。陰生植物和陽生植物間作套種，提高光能利用率，減少光能的損失。①DE′段（C4植物）：當光照強度繼續增強時，氣孔關閉，導致進入的CO2濃度降低，C4植物的光合作用不會降低（是因為C4植物PEP羧化酶與CO2的親和力很強，能夠在CO2濃度很低時進行光合此作用）。②EF段（C3植物）：由于隨著光照強度的減弱，氣溫降低，氣孔打開，進入的CO2濃度增高，暗反應逐漸增強，光合作用逐漸增強。③FH段和E＇H段：隨著光照強度的逐漸減弱，光合作用逐漸降低。此時主要限制因素是光強度。①夏季中午農作物避免低溫水澆灌；②光照過強的中午對農作物進行遮陰處理。開始時光合強度就不同，最后達到了相同，這說明與溫度、CO2濃度沒有關系，除了這兩個因素和光強度外重復的因素只有光質，不同的光質影響光反應，因此最初光合強度就有差異，但隨光強度的增強，最終都能達到光的飽和點。農作物宜種植在全光照下，但陽生植物宜種植在陽光充裕的地方，陰生植物宜種植在陽光較弱的地方。大棚作物宜用無色塑料薄膜。曲線開始時光合強度就有差異，最后也有差異，這說明跟CO2濃度、環境溫度、光質都有關。植物在不同的CO2濃度、環境溫度、光質下，隨光照強度的增加，光合作用強度增加都可能不一樣。原理生產上應用適當提高二氧化碳濃度①植物的光合作用強度在一定范圍內是隨著CO2濃度的提高而增強（CO2是暗反應的原料）（光反應速度也相應增加）；②但當CO2濃度達到一定值時，光合作用強度不再隨著CO2濃度的升高而增強，即CO2飽和點（圖7的B點、圖8的C點、圖9的C、C′點）（原因：暗反應酶的數目有限）；③但CO2濃度過高，光合作用強度反而下降（因為CO2濃度過高→(呼吸作用受抑制→植物自身調節→)氣孔關閉→進入體內CO2濃度降低→暗反應減慢）。④m點（CO2濃度）低左右主要的限制因素是CO2濃度；n點（CO2濃度達到飽和點以后）主要的限制因素是溫度（內因是暗反應酶活性）或光照強度（內因是色素的數目有限）。當CO2濃度度達到飽和點以后，提高農作物產量的措施：①適當提高溫度；②適當提高光照強度。①圖8的A點、圖9的A、A′點：沒有CO2時（即CO2濃度為0時，即A點），光合作用強度為0，只有呼吸作用，凈光合作用＜0；②在的范圍（圖8、圖9的AB段和圖9的A′B′）內，隨CO2濃度的提高，凈光合作用強度逐漸增強(AB段的光合作用低于呼吸作用)；③當CO2濃度達到CO2補償點（圖8的B點和圖9的B、B′點）時，光合作用吸收的CO2量等于呼吸作用釋放的CO2量，凈光合作用=0)；④當CO2濃度提高到一定值時（圖8的C點、圖9的C、C′點），凈光合作用強度不再隨CO2濃度的提高而增強，即達CO2飽和點C點。⑤在圖8、圖9的AC段和圖9的A′B′段范圍內，主要的限制因素是CO2濃度。圖8、圖9的BC段、圖9的A′B′段范圍內，光合作用＞呼吸作用。農田：a.控制好農作物的密度和水肥管理，使農作物后期大田生產要“正其行，通其風”，保證CO2充分供應。b.增施農家肥（利用土壤微生物分解農家肥中有機物釋放較多的CO2。c.適當深施NH4HCO3肥料，使其分解釋放較多的CO2。溫室大棚：a.增施農家肥（利用土壤微生物分解農家肥中有機物釋放較多的CO2b.發生器或釋放干冰等。①判斷C3植物和C4植物的依據：C4植物能在低濃度CO2條件下進行光合作用而正常生長發育，而C3植物則不能；當CO2濃度達到某一值時，C4植物光合作用達到飽和，而C3植物的光合作用則繼續增強（原因是C3植物單位面積色素的含量較高）。②特點：一般C3植物的光補償點比C4植物高；光飽和點也是C3植物高于C4植物。原因是C3植物的呼吸作用比C4植物強。增施CO2更有利于C3植物的光合作用，有利提高產量。原理生產上應用白天適當提高溫度，晚上適當降低溫度溫度→光合作用和呼吸作用的酶活性→光合作用和呼吸作用速率①植物所有的生活過程都受溫度的影響，因為在一定的溫度范圍內，提高溫度可以提高酶的活性，加快反應速度。溫度主要是影響暗反應酶的活性。②m點左右（低溫范圍內），限制光合速率的因素是溫度。在一定的溫度范圍內，隨溫度的升高，其光合速率不斷提高。③n點時是酶的最適溫度，要提高光合速率，只有提高光強或CO2濃度。④n點后酶的活性隨溫度降低而降低，其光合速率也隨之降低。當溫度達到酶的最適溫度時，可提高光照強度或提高CO2濃度來提高光合速率，以提高農作物產量。溫度：植物所有的生活過程都受溫度的影響，因為在一定的溫度范圍內，提高溫度可以提高酶的活性，加快反應速度。光合作用也不例外，在一定的溫度范圍內，在正常的光照強度下，提高溫度會促進光合作用的進行。但提高溫度也會促進呼吸作用。如左圖所示。所以植物凈光合作用的最適溫度不一定就是植物體內酶的最適溫度，即光合作用和呼吸作用的最適溫度不同。白天適當提高溫度，晚上適當降低溫度，即適當增大晝夜溫差，以增大全天有機物的積累量，促進作物生長，提高農作物產量。合理施肥綠色植物進行光合作用時，需要多種必需的礦質元素。①氮（N）是光合作用各種酶以及NADP+和ATP的重要組成成分；②磷也是NADP+和ATP的重要組成成分（科學家發現，用磷脂酶將離體葉綠體膜結構上的磷脂水解掉后，在原料和條件都具備的情況下，這些葉綠體的光合作用過程明顯受到阻礙，可見磷在維持葉綠體膜的結構和功能上起著重要的作用）。③又如綠色植物通過光合作用合成糖類，以及將糖類運輸到塊根、塊莖和種子等器官中，都需要鉀。④鎂是葉綠體的重要組成成分，沒有鎂就不能合成葉綠素。根據植物的需肥規律。適時適量合理施肥。施用農家肥：一是提高CO2濃